Испытания на морозостойкость строительных материалов

Где-то на белом свете, там, где всегда мороз, уже давно живут не только белые медведи, но и люди. Конечно, имеются в виду не полярные станции и не иглу оленеводов. Мы говорим о городах. Люди, вполне успешно, научились строить многотысячные города в таких местах, где зимой столбика обычного термометра может не хватить, чтобы показать температуру в -60°С и ниже. Поэтому здесь важно, чтобы здания защищали людей от холода. Защищали как можно дольше, иначе экономические показатели и целесообразность строительства могут уйти в такой же большой минус, как местная температура. Поэтому для строительства в условиях вечной мерзлоты и проектные расчеты нужны особые, и технические параметры материалов тоже. Однако такой показатель, как морозостойкость строительных материалов важен при строительстве не только на Крайнем Севере, а в любом регионе. Особенно там, где погода зимой часто меняется. Поэтому в ходе строительства и эксплуатации так важны испытания на морозостойкость.

1. Что такое морозостойкость строительных материалов: определение, показатели
2. Почему важно проводить испытания на морозостойкость
3. Методы определения морозостойкости материалов: обычный, ускоренный, косвенный
4. Бетон: испытания на морозостойкость по ГОСТ 10060-2012 и марки морозостойкости бетона
5. Климатическая камера – автоматический способ определить морозостойкость любого строительного материала

Что такое морозостойкость строительных материалов: определение, показатели

Если в самых холодных уголках страны мороз держит и не отпускает всю зиму, а то и часть осени с весной, то в наших, северо-западных широтах, погода отличается капризным нравом и может уходить из плюса в минус и обратно по нескольку раз за холодный сезон. Вместе с погодой будут меняться и агрегатные состояния воды, а это значит, что сегодня кирпичи на стройке напитаются влагой, а завтра превратятся в кусок льда. Собственно, именно так и выглядят натуральные условия проверки материалов на морозостойкость. Вот только ждать результата таких испытаний придется несколько лет.

Морозостойкость строительных материалов – это их способность, при насыщении водой, и/или соляными растворами, выдерживать многочисленные попеременные замораживания и оттаивания, сохраняя прочность и не выявляя визуальных признаков разрушения. Морозостойкость зависит главным образом от структуры материала: чем выше относительный объем пор, доступных для проникновения воды, тем ниже морозостойкость.

Испытания материалов на морозостойкость проводят в лабораторных условиях. В результате выявляют:

• степень морозостойкости, т.е. количество циклов заморозки-оттаивания;
• коэффициент морозостойкости, а именно отношение показателя прочности образца материала в водонасыщенном состоянии до определения морозостойкости к прочности образца после испытания его морозостойкости.

После проведения испытаний, материалу присваивается марка по морозостойкости. Например, для бетона — F50, F100, F150 и т.д., где число обозначает количество циклов заморозки и оттаивания, которые данный бетон может выдержать без деформации. В дальнейшем, при выборе марки материала по морозостойкости учитывают также вид строительной конструкции, условия ее эксплуатации и климат в зоне строительства.

Почему важно проводить испытания на морозостойкость

Под действием воды, мороза и ветра разрушаются даже такие каменные твердыни, как горы, несмотря на то, что камень обладает куда менее пористой структурой, чем, скажем, кирпич. Ведь стихия всегда найдет возможность просочиться внутрь и показать свое превосходство над материей, пусть даже на это потребуются века. Ну, а уж, если здание было построено из несоответствующих необходимой морозостойкости материалов, то частично разрушится оно может уже через 10 лет.

Именно столкновение со стихией приводит к наиболее сильному износу и разрушению строительного материала. Вода и мороз способны заставить изменить свои объемы даже самый прочный материал. Непросто изменить, а навсегда безвозвратно деформировать.

При температуре -4°C, вода, заполнившая поры строительного материала, может увеличиться в объеме до 9%. При этом гидростатическое давление, вызванное растущими кристаллами льда внутри материала, возрастает при некоторых условиях до сотен МПа. Таким образом при гипотетическом 100% заполнении пор материала, его разрушения можно достигнуть всего за один цикл заморозки.

Поэтому морозостойкость строительных материалов является одним из важных показателей для оценки степени долговечности зданий и сооружений, т.е. способности в течение длительного времени сохранять свои эксплуатационные качества. Строительными нормами установлены четыре класса долговечности здании и инженерных сооружений:

• I класс с ориентировочным сроком службы более 100 лет;
• II класс — от 50 до 100 лет;
• III класс — от 20 до 50 лет;
• IV класс — до 20 лет.

А будет ли соответствовать этим срокам строительный материал — покажет испытание на морозостойкость. Его желательно производить со всеми материалами, поступающими на стройку, но абсолютно необходимо с теми материалами, из которых будут возведены несущие конструкции и фасады. Так, например, согласно ГОСТ 9479-2011 на морозостойкость должны испытываться все породы, предназначенные для использования в наружных облицовках.

И, наконец, хочется добавить, что свою продукцию сегодня проверяют на морозостойкость только добросовестные производители, поэтому перепроверка строительных материалов в лаборатории перед началом и по ходу строительства, означает уверенность в долговечности будущего здания.

Методы определения морозостойкости материалов: обычный, ускоренный, косвенный

Основную методику испытания материалов на морозостойкость путем многократного попеременного замораживания и оттаивания придумал русский ученый, профессор Николай Аполлонович Белелюбский в 1886 году. Она проста и эффективна.

Испытания на морозостойкость проводятся в лабораторных условиях.

Для проведения испытания из материала изготавливаются пять образцов в виде кубиков или цилиндров, размером не менее 5 см. Допускается изготовление трех образцов, если испытание производится с однородным материалом. Все образцы тщательно очищают, маркируют, проверяют на наличие трещин и повреждений, затем насыщают водой в течение 48 часов и взвешивают.

Образцы укладывают в морозильную камеру после того, как температура в ней снизилась до -15°С. Образцы не должны заполнять более 50% камеры, должны быть уложены рядами и получать доступ к охлаждающему воздуху со всех сторон. Заморозку образцов проводят при температуре -20± 2°С в течение:

• 4 часов – для образцов размером 5 см;
• 5 часов — для кирпича всех видов;
• 6 часов — для образцов размеров 7 см;
• 8 часов — для образцов размером 10 см.

После чего начинается процесс оттаивания. Образцы вынимают из морозильной камеры и помещают в ванну с водой температурой +10-20°С не менее, чем на 4 часа. Далее каждый образец осматривают для выявления повреждения и, если дефектов не наблюдается, для образца начинается следующий цикл. Количество циклов замораживания-оттаивания для каждого материала предусмотрены в нормативных документах. Например, для легких бетонов, кирпича, наружных керамических материалов достаточно 15-35 циклов, для бетона, из которого строят дороги и мосты — от 50 до 200 циклов, для гидротехнических сооружений — до 500 циклов.

Когда испытания завершены полностью, образцы протирают влажной тканью, взвешивают, чтобы вычислить потерю массы.

Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов ни один из испытанных образцов не имеет:

• признаков разрушения в виде трещин или выкрашивания ребер и углов;
• потери массы образцов более чем на 5 %;
• потери прочности более чем на 15 % (по стандартам на материал).

Существует также ускоренный метод испытания материалов на морозостойкость. 1 цикл таких испытаний приравнивается к 5-20 циклам обычных, за счет применения хлористого натрия, кристаллизация которого значительно превышает напряжения, вызываемые замерзающей водой.

При данной методике образцы высушивают до постоянной массы, маркируют и, при комнатной температуре, погружают на 20 часов в насыщенный раствор сернистого калия. После чего образцы не замораживают, а помещают в специальный сушильный шкаф на 4 часа, затем опять в калий и опять в сушильный шкаф, также по 4 часа. Сернистый калий при высушивании кристаллизуется и увеличивается в объеме быстрее, чем обычная вода превращается в лед, и давит изнутри на материал сильнее, т. е. это испытание является более жестким, чем описанное выше.

Перед финальными замерами, образцы тщательно промывают от калия горячей водой и высушивают при комнатной температуре. Показатели материала, успешно прошедшего испытания, должны быть такими же, как после циклов замораживания и оттаивания.

Кстати, есть и еще один способ, который позволяет косвенным образом определить морозостойкость материала. Судить о ней можно по величине коэффициента размягчения строительных материалов.

Коэффициент размягчения или водостойкости — это отношение прочности насыщенного водой материала к его прочности в воздушно-сухом состоянии. Водостойкими считаются строительные материалы с показателем выше 0,8. А вот понижение прочности вследствие размягчения материала, более чем на 10 % указывает, что в материале есть глинистые или другие размокающие частицы, что отрицательно сказывается и на его морозостойкости.

Бетон: испытания на морозостойкость по ГОСТ 10060-2012 и марки морозостойкости бетона

Бетон сегодня является самым популярным строительным материалом, поэтому остановиться на его испытаниях следует отдельно. Тем более, что они некоторым образом отличаются от остальных.

Методы определения морозостойкости закреплены в ГОСТ 10060-2012. Вот наиболее важные выдержки из этого нормативного документа:

1. Существуют два базовых метода испытаний (в зависимости от того, предназначен ли бетон для дорожных, аэродромных покрытий и конструкций, эксплуатирующихся в минеральной воде), ускоренный метод (кроме бетонов для дорожных, аэродромных покрытий и конструкций, эксплуатирующихся в минеральной воде, а также легких бетонов) и так называемый третий метод для всех видов бетонов, кроме легких.
2. Число образцов для испытаний должно быть не менее шести.
3. Образцы-призмы размерами 100х100х100 мм изготовляют в лаборатории в формах, образцы-керны от 60 до 150 мм выбуривают алмазным инструментом из конструкций.
4. Помимо маркировки, образцы оснащают реперами для измерения деформаций.
5. Для насыщения образцы погружают в воду или 5% раствор хлорида натрия на 1/3 их высоты на 24 ч, затем уровень воды или раствора повышают до 2/3 высоты образцов и выдерживают в таком состоянии еще 24 ч, после чего образцы полностью погружают в воду или раствор на 48 ч так, чтобы уровень жидкости был выше верхней грани образцов не менее чем на 20 мм.
6. Продолжительность замораживания и оттаивания принимают в зависимости от размера образца.
7. В зависимости от типа испытаний температуру в морозильной камере понижают от -18±2°С до -50±2°С.
8. При последующей установке в камеру расположение образцов каждый раз меняют.
9. Испытания продолжают до уменьшения массы образцов на 2% или увеличения длины образцов на 0,1%, или снижения скорости ультразвука на 15%, или до уменьшения динамического модуля упругости на 25% исходного значения.
10. Выдержавшие испытание образцы не имеют трещин, сколов, шелушения ребер и прочих деформаций, превышающих 0,1%. Масса образцов уменьшается не более, чем на 2%, относительный динамический модуль упругости – не более, чем на 25%, а скорость ультразвука — на 15%.
11. По числу циклов замораживания и оттаивания, при котором образцы отвечают указанным выше критериям, устанавливают марку бетона по морозостойкости: F₁ (от 25 до 1000) и F₂ (от 75 до 1000).

Климатическая камера – автоматический способ определить морозостойкость любого строительного материала

Главным средством испытаний материалов на морозостойкость, которое должно находится в арсенале строительной лаборатории, является морозильная камера. Она должна обеспечивать достижение и поддержание температуры воздуха ниже -50°С и поддерживать неравномерность температурного поля в воздухе полезного объема камеры не более 3°С.

Но наиболее продвинутым оборудованием для проведения испытаний, где требуется смоделировать любое агрессивное воздействие окружающей среды, является климатическая камера или установка.

Такая установка может воспроизвести температуру от +55°С до -55°С, относительную влажность от 0 до 100%, любое атмосферное давление, а также воздействие солнца, ветра, осадков и неблагоприятных условий, связанных с деятельностью человека и оказывающих влияние на эксплуатационные характеристики строительных материалов, например, выхлопных газов, периодической уборки и реагентов.

Климатическая установка (камера) в испытательном центре «Глобал ЭМ» дает возможность в автоматическом режиме определить количество циклов замораживания и оттаивания попеременно, без присутствия человека. Специалист задает ей нужное количество циклов и после их завершения, выдает соответствие или несоответствие указанным параметрам. Камера позволяет определить морозостойкость и другие характеристики абсолютно любого строительного материала, от бетонной смеси до готового поребрика.